動中通單脈衝角度跟蹤系統和跟蹤方法
2023-07-06 02:09:01 1
專利名稱：動中通單脈衝角度跟蹤系統和跟蹤方法
技術領域：
本發明涉及天線自動跟蹤技術領域，特別是一種動中通單脈衝角度跟蹤系統和跟
蹤方法。
背景技術：
動中通是指天線安裝在移動載體(如汽車、火車、飛機、輪船等)上快速運動，仍能與目標保持通信鏈路暢通、實現實時通信的系統。動中通要解決的主要問題，是在行進期間，如何使天線始終高精度地對準空中目標平臺，以保證高質量的通信。動中通系統的載體是處於不斷運動過程中，這種運動包括載體方向變化、速度變化、顛簸造成的載體起伏、搖晃與抖動，以及各種起伏引起的載體運動加速度的變化等。這些變化使天線可能偏離甚至找不到空中目標平臺。為了解決這個問題，多採用「陀螺閉環穩定+電平跟蹤」技術。陀螺穩定技術可解決載體搖晃、抖動的問題，而解決天線極化軸與空中平臺偏離的問題，則需要採用天線自動跟蹤技術。動中通系統天線跟蹤方式的選擇依據天線的饋源形式，根據饋源形式的不同分為步進跟蹤、圓錐掃描跟蹤和單脈衝跟蹤。單脈衝跟蹤方式由天線饋源輸出和信號與差信號。和、差射頻信號經射頻前端變換處理後送至跟蹤接收機，並由跟蹤接收機輸出兩路與天線電軸偏離空中目標平臺角度成正比的方位誤差信號與俯仰誤差信號到伺服控制單元，控制天線運動，完成對空中目標平臺的實時跟蹤。單脈衝跟蹤能從每個接收脈衝中得到完整的角誤差信息，這種跟蹤方式是一個閉環系統，具有實時性好、跟蹤精度高的優點。在日益複雜的空間環境和電子幹擾環境下，雷達、通信等電子設備受到越來越多的幹擾。採用單脈衝方式在跟蹤目標過程中，若主波束內存在多個在距離、方向及都卜勒等參數方面都不能分辨的目標，則會影響角跟蹤系統，使其跟蹤幾個目標的功率重心，嚴重時會導致原目標丟失。為減小空中設備的體積、重量，「動中通」系統可採用統一載波體制，不再另設信標機，這就要求地面設備能夠直接對下行的通信信號進行跟蹤測角。對跟蹤接收機而言，其關心的是調製在信號上的誤差信息，而不關心調製信號的具體內容。如果能夠找到一種方法， 把解調帶有誤差信息的低頻信號前的中頻帶寬壓窄，提高檢波前信號的載噪比，又不損失誤差信息，就能提高跟蹤接收靈敏度。在複雜電子幹擾環境下，噪聲幹擾可以通過天線主瓣或旁瓣進入接收機。經典的從噪聲中提取信號的方法是自適應濾波法，較新的方法為基於小波的去噪提取信號的方法。近幾年，Hilbert Huang變換理論及其在非平穩非線性信號分析和應用中取得了很多成果，並將其應用於去除噪聲分離信號的目的。但尚未見到適用於動中通系統天線跟蹤的更有效的去噪濾波裝置。
發明內容
本發明的目的是設計一種動中通單脈衝角度跟蹤系統和跟蹤方法，配置分數階傅立葉變換濾波器和經驗模態濾波器，得到準確的角誤差信息，提高複雜情況下對空中目標平臺跟蹤的精度。本發明設計的動中通單脈衝角度跟蹤系統包括雷達裝置、伺服控制單元以及回波處理裝置，雷達裝置包括天線、收發雙工器和射頻放大器，伺服控制單元連接控制天線；回波處理裝置包括模數轉換器、數模轉換器、波形產生器、匹配濾波器、帶通濾波器、下變頻器、單脈衝處理器和數位訊號處理器；波形發生器產生的脈衝一路接入模數轉換器轉換為模擬信號，接入上變頻器後作為發射信號經射頻放大器和收發雙工器，送入天線發送。本發明的跟蹤系統回波處理裝置還配置分數階傅立葉變換濾波器(FrFT濾波器) 和經驗模態分解(EMD)濾波器，雷達裝置的收發雙工器從天線接收的回波信號送入模數轉換器進行中頻採樣，模數轉換控制器連接模數轉換器，控制其中頻採樣時序、提供中頻採樣時鐘，中頻採樣所得回波信號接入下變頻器，下變頻器送出的中頻信號經帶通濾波器後依次進入經驗模態分解濾波器、分數階傅立葉變換濾波器，再進入匹配濾波器，匹配濾波器處理後的信號經逆分數階傅立葉變換濾波器(Inv FrFT濾波器)送入單脈衝處理器，進行方位誤差、俯仰誤差、距離誤差計算；單脈衝處理器的輸出接入數位訊號處理器，數位訊號處理器讀取數據，計算目標方位、俯仰和距離，產生的方位信息與俯仰信息接入伺服控制單元，實時修正天線方向，達到穩定跟蹤的目的；所得距離信息反饋到分數階傅立葉變換濾波器和單脈衝處理器。波形發生器產生的脈衝第二路送入匹配濾波器，第三路接入分數階傅立葉變換濾波器，作為參考信號。本系統的模數轉換控制器、下變頻器、帶通濾波器、分數階傅立葉變換濾波器、 匹配濾波器、逆分數階傅立葉變換濾波器、單脈衝處理器等模塊均由現場可編程門陣列 (FPGA)實現。現場可編程門陣列與數位訊號處理器經外部存儲器接口(EMIF)連接。現場可編程門陣列有USB接口，本系統處理結果通過USB發送到上位機，用戶可通過上位機獲取相關信息。本發明設計的動中通單脈衝角度跟蹤系統的跟蹤方法為回波經帶通、經驗模態分解、分數階傅立葉變換、匹配濾波、逆分數階傅立葉變換濾波處理後送入單脈衝處理器， 由單脈衝處理器進行方位誤差、俯仰誤差、距離誤差計算，計算結果輸出接入數位訊號處理器，數位訊號處理器讀取數據，計算目標方位、俯仰和距離，產生的方位信號與俯仰信號接入伺服控制單元，調節天線的方位角和俯仰角實時跟蹤空中目標平臺。雷達裝置將接收到的回波送入模數轉換器進行中頻採樣，模數轉換控制器控制模數轉換器的中頻採樣時序、提供中頻採樣時鐘，中頻採樣所得回波信號進行數字下變頻、帶通濾波、經驗模態分解、分數階傅立葉變換(FrFT)處理，處理結果再進行單脈衝處理，即根據回波信息提取方位角度和俯仰角度誤差信息。數位訊號處理器讀取單脈衝處理的數據， 計算目標方位、俯仰和距離，所得方位信息和俯仰信息傳送給伺服控制單元，以及時修正天線方向，達到穩定跟蹤的目的，距離信息被反饋給信息反饋到分數階傅立葉變換濾波器和單脈衝處理器，作為參考信號和產生採樣波門。經驗模態分解方法基於信號的局部時間尺度，把複雜的信號函數分解為有限的內在模態函數(IMF)之和，每一個IMF所包含的頻率成分與採樣頻率有關，且隨信號本身變化而變化，經驗模態分解方法是自適應的信號處理方法，具有很高的信噪比。經驗模態分解濾波方法步驟如下I、讀取帶通濾波器輸出數據x(t)；II、確定x(t)所有的局部最大值和最小值；III、利用三次樣條函數分別將最大值點擬合為該信號的上包絡線，將最小值點擬合為該信號的下包絡線；IV、計算兩包絡線的均值m(t)V、求 χ (t)和 m (t)的差值 hk (t) = χ (t) -m (t)VI、判斷hk(t)是否為固有模態函數(IMF)，如果是，將hk(t)看成x(t) =hk(t)， 進入第VII步，否則返回第II步；
ηVII、確定hk(t)為第η個IMFC ，剩餘函數峻)=論；VIII、判斷r(t)是否為單調函數或常數？如果是進入第IX步，否則返回第II步；IX、原始信號x(t)被分解成η個IMF:Cl⑴、C2⑴、…、cn(t)和剩餘函數r(t)；
ηΧαΑ^ΣΥ^ + Κ小進行低通自適應濾波消噪；
i=kXI、結果輸出至分數階傅立葉變換濾波器。其中分數階傅立葉變換濾波器具體濾波步驟如下i、讀取EMD濾波器輸出數據；ii、針對主目標確定最佳分數域；iii、在最佳分數階傅立葉變換(fractional Fourier transform FrFT)域計算主目標和其他目標的互相關矩陣；並在最佳分數階傅立葉變換域計算附加目標的自相關矩陣；iv、在分數階域設計最優濾波器；V、使用最佳分數變換矩陣，提取有用信號；vi、使用最佳分數階變換矩陣的逆，將有用信號變換至時域；vii,結果輸出至單脈衝處理器。本發明動中通單脈衝角度跟蹤系統和跟蹤方法的優點為1、本系統擴展了原動中通單脈衝角度跟蹤系統，實現動中通在複雜空間和電子幹擾環境下採用單脈衝方式進行角度跟蹤，保證動中通系統在複雜和低信噪比條件下也可準確跟蹤空中目標平臺，實現高質量的通信；2、本系統中的中頻採樣、數字下變頻、濾波等模塊的功能均可用前端現場可編程門陣列和橋接現場可編程門陣列實現，系統硬體結構實現簡捷。
圖1為本動中通單脈衝角度跟蹤系統實施例系統結構框圖；圖2為本動中通單脈衝角度跟蹤系統實施例基於FPGA+DSP構建的回波處理硬體結構框圖；圖3為信噪比為-15dB的回波信號的時域圖；圖4為信噪比為-15dB的回波信號的頻譜圖；圖5為信噪比為-15dB的回波信號的wigner分布俯視圖6為本動中通單脈衝角度跟蹤系統的跟蹤方法實施例的經EMD處理消噪後的信號頻譜圖；圖7為本動中通單脈衝角度跟蹤系統的跟蹤方法實施例的經EMD處理消噪後的信號wigner變換後的俯視圖；圖8為本動中通單脈衝角度跟蹤系統的跟蹤方法實施例的經FrFT處理後的信號頻譜圖；圖9為本動中通單脈衝角度跟蹤系統的跟蹤方法實施例的經匹配濾波處理後的信號頻譜圖；圖10為本動中通單脈衝角度跟蹤系統的跟蹤方法實施例的經驗模態分解濾波方法的程序框圖。
具體實施例方式動中通單脈衝角度跟蹤系統實施例本動中通單脈衝角度跟蹤系統實施例的系統結構如圖1所示，包括雷達裝置、伺服控制單元以及回波處理裝置，雷達裝置包括天線、收發雙工器和射頻放大器，伺服控制單元連接並控制天線方向；回波處理裝置包括模數轉換器、數模轉換器、波形產生器、匹配濾波器、分數階傅立葉變換濾波器(FrFT濾波器)、逆分數階傅立葉變換濾波器(Inv FrFT濾波器)、經驗模態分解(EMD)濾波器，帶通濾波器、下變頻器、單脈衝處理器和數位訊號處理器；波形發生器產生的脈衝一路接入模數轉換器轉換為模擬信號，接入上變頻器後作為發射信號經射頻放大器和收發雙工器，送入天線發送。雷達裝置的收發雙工器從天線接收的回波信號送入模數轉換器，模數轉換控制器連接模數轉換器，控制其中頻採樣時序，中頻採樣所得回波信號接入下變頻器，下變頻後的回波信號進入多路分配器，按重複周期分時存入其所接的桌球存儲器A或桌球存儲器B，用於桌球存儲回波數據，桌球存儲器A和桌球存儲器B的輸出接入多路復用器，多路復用器連接的數據傳輸控制器產生相應的讀控制信號、控制多路復用器從桌球存儲器A或B中讀取數據。所得回波數據依次經帶通濾波器、經驗模態分解濾波器、分數階傅立葉變換濾波器、 匹配濾波器，匹配濾波器的處理後的信號經逆分數階傅立葉變換濾波器送入單脈衝處理器、數位訊號處理器，數位訊號處理器產生的方位信號與俯仰信號接入伺服控制單元；所得距離信息反饋到分數階傅立葉變換濾波器和單脈衝處理器。波形發生器產生的脈衝第二路送入匹配濾波器，第三路接入分數階傅立葉變換濾波器。本系統的模數轉換控制器、下變頻器、帶通濾波器、經驗模態分解濾波器、分數階傅立葉變換濾波器、匹配濾波器、單脈衝處理器等模塊均由現場可編程門陣列實現。現場可編程門陣列與數位訊號處理器經外部存儲器接口(EMIF)連接。本例的回波裝置硬體結構如圖2所示。本例的現場可編程門陣列包括前置現場可編程門陣列(前置FPGA)和橋接現場可編程門陣列(橋接FPGA)，二者通過外部存儲器接口(EMIF)連接。前置現場可編程門陣列有USB接口 ；還接有外部存儲器，以擴展晶片的存儲空間。數位訊號處理器有RS232串行接口，經此與伺服控制單元連接。數位訊號處理器也接有外部存儲器。動中通單脈衝角度跟蹤系統的跟蹤方法實施例本例雷達裝置將接收到的回波送入模數轉換器進行中頻採樣，中頻採樣所得回波信號進行數字下變頻、帶通濾波、經驗模態分解、分數階傅立葉變換(FrFT)處理，處理結果再進行單脈衝處理和方位、俯仰、距離計算。數位訊號處理器讀取數據，計算目標方位、俯仰和距離，所得方位信號和俯仰信號傳送給伺服控制單元，實時修正天線方位角和俯仰角，跟蹤空中目標平臺。雷達裝置接收到的回波信號數學表達式如下r (t) = T1 (t) +r2 (t) +n (t)(1)其中n(t)是均值為0、方差為δ 2的加性高斯白噪聲。ri(t) =AieXpEjOJifci+Φ )](2)r2(t) =A2exp[j(2 3i (f0+μ t2/2)+Φ0) ] (3)ri(t)為「動中通」空中平臺回波信號，r2(t)為幹擾目標回波信號。AjPA2分別為平臺回波信號和幹擾目標回波信號的幅度。fo為發射信號的載波頻率；Φο為初相；μ為幹擾目標回波信號的調頻率。圖3為信噪比為_15dB的雷達裝置接收到的回波信號的時域圖，圖4為其頻譜圖。 由圖可見，信號淹沒在噪聲之中。以上回波信號的wigner分布如圖5所示，變換後，空中目標平臺的回波信號已然淹沒於噪聲之中，完全不能辨識。經本系統的經驗模態分解(EMD)處理消噪後，信噪比得到改善，圖6為EMD消噪後的頻譜圖，可見空中平臺信號回波和幹擾目標信號回波的頻譜清晰可辨。但是由於空中平臺信號回波和幹擾目標信號回波的頻譜有重疊，因此，在頻域上不能分離空中平臺和幹擾目標信號回波。EMD消噪後信號wigner變換後俯視圖如圖7所示，由於未能使空中平臺和幹擾目標回波信號能量分別聚斂，所以還不能實現空中平臺和幹擾目標回波信號的分離， 也就是尚未消除幹擾目標的影響。經分數階傅立葉變換(FrFT)處理，空中平臺和幹擾目標信號回波能量分別聚斂， 如圖8所示，形成兩個分離的峰值。再通過匹配濾波器濾除幹擾信號，即可消除幹擾目標信號對空中平臺信號回波的幹擾，實現單脈衝角度跟蹤。如圖9所示。由於本方法去除了幹擾目標信號的影響，對於空中平臺目標的跟蹤精度得到提高。其中，經驗模態分解濾波器濾波方法是基於信號的局部時間尺度，把複雜的信號函數分解為有限的內在模態函數(IMF)之和，，具體步驟如圖10所示I、讀取帶通濾波器輸出數據x(t)；II、確定x(t)所有的局部最大值和最小值；III、利用三次樣條函數分別將最大值點擬合為該信號的上包絡線，將最小值點擬合為該信號的下包絡線； IV、計算兩包絡線的均值m (t)V、求 χ ⑴和 m (t)的差值 hk (t) = χ (t) _m (t)VI、判斷hk(t)是否為固有模態函數(IMF)，如果是，將hk(t)看成x(t) =hk(t)，進入第VII步，否則返回第II步；
ηVII、確定hk(t)為第η個IMFc (Λ，剩餘函數峻)=論；VIII、判斷r(t)是否為單調函數或常數？如果是進入第IX步，否則返回第II步；IX、原始信號x(t)被分解成η個IMF:Cl⑴、C2⑴、…、cn(t)和剩餘函數r(t)；
ηΧαΑ^ΣΥ^+Κ小進行低通自適應濾波消噪；
i=kXI、結果輸出至分數階傅立葉變換濾波器。其中分數階傅立葉變換濾波器具體濾波步驟如下i、讀取EMD濾波器輸出數據；ii、針對主目標確定最佳分數域；iii、在最佳分數階傅立葉變換(fractional Fourier transform FrFT)域計算主目標和其他目標的互相關矩陣；並在最佳分數階傅立葉變換域計算附加目標的自相關矩陣；iv、在分數階域設計最優濾波器；V、使用最佳分數變換矩陣，提取有用信號；vi、使用最佳分數階變換矩陣的逆，將有用信號變換至時域；vii、結果輸出至單脈衝處理器。上述實施例，僅為對本發明的目的、技術方案和有益效果進一步詳細說明的具體個例，本發明並非限定於此。凡在本發明的公開的範圍之內所做的任何修改、等同替換、改進等，均包含在本發明的保護範圍之內。
權利要求
1.動中通單脈衝角度跟蹤系統，包括雷達裝置、伺服控制單元以及回波處理裝置，雷達裝置包括天線、收發雙工器和射頻放大器，伺服控制單元連接、控制天線；回波處理裝置包括模數轉換器、數模轉換器、波形產生器、匹配濾波器、帶通濾波器、下變頻器、單脈衝處理器和數位訊號處理器；波形發生器產生的脈衝一路接入模數轉換器轉換為模擬信號，接入上變頻器後作為發射信號經射頻放大器和收發雙工器，送入天線發送；其特徵在於所述回波處理裝置還配置分數階傅立葉變換濾波器、逆分數階傅立葉變換濾波器和經驗模態分解濾波器，雷達裝置的收發雙工器從天線接收的回波信號送入模數轉換器模數轉換控制器連接模數轉換器，控制其中頻採樣時序、提供中頻採樣時鐘；中頻採樣所得回波信號接入下變頻器，下變頻器送出的中頻信號經帶通濾波器後依次進入經驗模態分解濾波器、分數階傅立葉變換濾波器，再進入匹配濾波器，匹配濾波器的處理後的信號經逆分數階傅立葉變換濾波器送入單脈衝處理器，進行方位誤差、俯仰誤差、距離誤差計算；單脈衝處理器的輸出接入數位訊號處理器，數位訊號處理器讀取數據，計算目標方位、俯仰和距離， 產生的方位信號與俯仰信號接入伺服控制單元；所得距離信息反饋到分數階傅立葉變換濾波器和單脈衝處理器；波形發生器產生的脈衝第二路送入匹配濾波器，第三路接入分數階傅立葉變換濾波器。
2.根據權利要求1所述的動中通單脈衝角度跟蹤系統，其特徵在於所述模數轉換控制器、下變頻器、帶通濾波器、分數階傅立葉變換濾波器、逆分數階傅立葉變換濾波器、匹配濾波器、單脈衝處理器均由現場可編程門陣列實現，現場可編程門陣列與數位訊號處理器經外部存儲器接口連接。
3.根據權利要求2所述的動中通單脈衝角度跟蹤系統，其特徵在於所述現場可編程門陣列有USB接口。
4.根據權利要求2所述的動中通單脈衝角度跟蹤系統，其特徵在於所述現場可編程門陣列包括前置現場可編程門陣列和橋接現場可編程門陣列，二者通過外部存儲器接口連接。
5.根據權利要求2所述的動中通單脈衝角度跟蹤系統，其特徵在於所述數位訊號處理器有RS232串行接口，經此與伺服控制單元連接。
6.根據權利要求2所述的動中通單脈衝角度跟蹤系統，其特徵在於所述現場可編程門陣列和/或數位訊號處理器接有外部存儲器。
7.根據權利要求1至6中任一項所述的動中通單脈衝角度跟蹤系統的跟蹤方法，其特徵在於所述雷達裝置將接收到的回波送入模數轉換器進行中頻採樣，模數轉換控制器控制模數轉換器的中頻採樣時序、提供中頻採樣時鐘，中頻採樣所得回波信號進行數字下變頻、帶通濾波、經驗模態分解、分數階傅立葉變換處理，處理結果再進行單脈衝處理，即方位誤差、 俯仰誤差、距離誤差計算；數位訊號處理器讀取數據，計算目標方位、俯仰和距離，所得方位信號和俯仰信號傳送給伺服控制單元，距離信息被反饋給信息反饋到分數階傅立葉變換濾波器和單脈衝處理器。
8.根據權利要求7所述的動中通單脈衝角度跟蹤系統的跟蹤方法，其特徵在於所述經驗模態分解濾波器的經驗模態分解方法基於信號的局部時間尺度，把複雜的信號函數分解為有限的內在模態函數之和。
9.根據權利要求8所述的動中通單脈衝角度跟蹤系統的跟蹤方法，其特徵在於經驗模態分解濾波方法具體步驟如下I、讀取帶通濾波器輸出數據x(t)；II、確定x(t)所有的局部最大值和最小值；III、利用三次樣條函數分別將最大值點擬合為該信號的上包絡線，將最小值點擬合為該信號的下包絡線；IV、計算兩包絡線的均值m(t)；V、求x(t)和 m(t)的差值 hk(t) =x(t)-m(t)；VI、判斷hk(t)是否為固有模態函數(IMF)，如果是，將hk(t)看成x(t)=hk(t)，進入第VII步，否則返回第II步；ηVII、確定hk(t)為第η個IMFC ，剩餘函數峻)=論；VIII、判斷r(t)是否為單調函數或常數？如果是進入第IX步，否則返回第II步；IX、原始信號χ(t)被分解成η個IMF:Cl⑴、c2⑴、-,cn(t)和剩餘函數r(t)；ηιλ (O=ΣΗ1 (O+KO，進行低通自適應濾波消噪；j=kXI、結果輸出至分數階傅立葉變換濾波器。
10.根據權利要求6所述的動中通單脈衝角度跟蹤系統的跟蹤方法，其特徵在於 所述分數階傅立葉變換濾波器具體濾波步驟如下i、讀取經驗模態濾波器輸出數據；·11.針對主目標確定最佳分數域；iii、在最佳分數階傅立葉變換域計算主目標和其他目標的互相關矩陣；並在最佳分數階傅立葉變換域計算附加目標的自相關矩陣；iv、在分數階域設計最優濾波器；V、使用最佳分數變換矩陣，提取有用信號；Vi、使用最佳分數階變換矩陣的逆，將有用信號變換至時域；Vii、結果輸出至單脈衝處理器。
全文摘要
本發明為動中通單脈衝角度跟蹤系統和跟蹤方法，本系統包括雷達裝置、伺服控制單元以及回波處理裝置，回波處理裝置配置FrFT濾波器和經驗模態分解(EMD)濾波器，下變頻器送出的中頻信號經帶通濾波器後依次進入EMD濾波器、FrFT濾波器、匹配濾波器、Inv FrFT濾波器送入單脈衝處理器，再接入DSP，DSP連接天線的伺服控制裝置。回波處理裝置的主要模塊均由FPGA實現，FPGA經EMIF連接DSP。本跟蹤方法中頻採樣所得回波信號經數字下變頻、帶通濾波、EMD、FrFT處理後進行單脈衝處理提取方位和俯仰角度誤差，DSP讀取誤差數據，計算目標方位、俯仰和距離，所得方位和俯仰信息傳送給伺服控制單元修正天線方向。本發明實現動中通在複雜和低信噪比條件下準確跟蹤，硬體結構簡捷。
文檔編號G05D3/12GK102339071SQ20111025330
公開日2012年2月1日 申請日期2011年8月31日 優先權日2011年8月31日
發明者柳政枝, 白雲浩, 羅良桂, 蔣留兵, 車俐, 黃韜 申請人:桂林電子科技大學